eng
Выпуск #3/2023
Д. О. Чухланцев, Д. А. Шипихин, Е. С. Шишкин, В. П. Умнов
Диодные лазеры и их использование в робототехнических системах
Диодные лазеры и их использование в робототехнических системах
Просмотры: 2065
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.3.176.183
Диодные лазеры большой мощности, необходимые для многих лазерных производственных процессов, традиционно были громоздкими напольными устройствами. Однако производители лазеров отреагировали на потребность промышленности в компактных системах, которые в полной мере используют миниатюризацию, присущую диодным лазерам. Это позволяет успешно встраивать диодные лазеры в качестве рабочих инструментов в исполнительные системы универсальных промышленных роботов, в том числе мобильных роботов для обработки крупногабаритных объектов. В статье представлен лазер–робот производства компании «ТермоЛазер», разработанный для обработки крупных деталей энергетического и транспортного назначения.
Диодные лазеры большой мощности, необходимые для многих лазерных производственных процессов, традиционно были громоздкими напольными устройствами. Однако производители лазеров отреагировали на потребность промышленности в компактных системах, которые в полной мере используют миниатюризацию, присущую диодным лазерам. Это позволяет успешно встраивать диодные лазеры в качестве рабочих инструментов в исполнительные системы универсальных промышленных роботов, в том числе мобильных роботов для обработки крупногабаритных объектов. В статье представлен лазер–робот производства компании «ТермоЛазер», разработанный для обработки крупных деталей энергетического и транспортного назначения.
Теги: beam quality diode lasers robotic systems ultrashort pulses диодные лазеры качество пучка робототехнические системы ультракороткие импульсы
Диодные лазеры и их использование в робототехнических системах
Д. О. Чухланцев, Д. А. Шипихин, Е. С. Шишкин, В. П. Умнов
ООО «ТермоЛазер», г. Владимир, Россия
Диодные лазеры большой мощности, необходимые для многих лазерных производственных процессов, традиционно были громоздкими напольными устройствами. Однако производители лазеров отреагировали на потребность промышленности в компактных системах, которые в полной мере используют миниатюризацию, присущую диодным лазерам. Это позволяет успешно встраивать диодные лазеры в качестве рабочих инструментов в исполнительные системы универсальных промышленных роботов, в том числе мобильных роботов для обработки крупногабаритных объектов. В статье представлен лазер–робот производства компании «ТермоЛазер», разработанный для обработки крупных деталей энергетического и транспортного назначения.
Ключевые слова: диодные лазеры, ультракороткие импульсы, робототехнические системы, качество пучка
Статья получена: 10.04.2023
Статья принята: 04.05.2023
Среди различных источников лазерного излучения, используемых в производстве, первенство постепенно завоевывают диодные лазеры, вытесняя газовые и другие твердотельные лазеры, включая волоконные [1–3]. Это происходит вследствие неоспоримых достоинств диодных лазеров, среди которых:
Шипихин Дмитрий Алексеевич, заместитель генерального директора ООО «ТермоЛазер» по производству, г. Владимир, Россия.
Шишкин Евгений Сергеевич, инженер-технолог ООО «ТермоЛазер», г. Владимир, Россия.
Умнов Владимир Павлович, кандидат технических наук, доцент, заместитель генерального директора ООО «ТермоЛазер» по науке, г. Владимир, Россия.
Конфликт интересов
Авторы подтверждают отсутствие конфликта интересов. Все авторы ознакомлены и согласны с рукописью.
Д. О. Чухланцев, Д. А. Шипихин, Е. С. Шишкин, В. П. Умнов
ООО «ТермоЛазер», г. Владимир, Россия
Диодные лазеры большой мощности, необходимые для многих лазерных производственных процессов, традиционно были громоздкими напольными устройствами. Однако производители лазеров отреагировали на потребность промышленности в компактных системах, которые в полной мере используют миниатюризацию, присущую диодным лазерам. Это позволяет успешно встраивать диодные лазеры в качестве рабочих инструментов в исполнительные системы универсальных промышленных роботов, в том числе мобильных роботов для обработки крупногабаритных объектов. В статье представлен лазер–робот производства компании «ТермоЛазер», разработанный для обработки крупных деталей энергетического и транспортного назначения.
Ключевые слова: диодные лазеры, ультракороткие импульсы, робототехнические системы, качество пучка
Статья получена: 10.04.2023
Статья принята: 04.05.2023
Среди различных источников лазерного излучения, используемых в производстве, первенство постепенно завоевывают диодные лазеры, вытесняя газовые и другие твердотельные лазеры, включая волоконные [1–3]. Это происходит вследствие неоспоримых достоинств диодных лазеров, среди которых:
- узкая линия спектра излучения лазерных диодов;
- возможность обработки не только металлов как при использовании волоконного лазера, но и неметаллов, например дерева, акрила, камня и т. д.;
- отсутствие оптоволоконного кабеля;
- непревзойденная электрическая и оптическая эффективность (КПД до 50% и выше);
- более высокое соотношение мощности и размеров по сравнению с любой другой
- промышленной лазерной технологией, а также твердотельную стабильность и надежность;
- высокий (свыше 10 тыс. часов в непрерывном режиме и 109 импульсов в квазинепрерывном режиме) ресурс работы используемых мощных лазерных диодов.
Благодаря отмеченным достоинствам диодные лазеры с высокой эффективностью используются в различных производственных машиностроительных процессах: закалка поверхности металлических изделий, наплавка и легирование, пайка, очистка поверхности.
Ограничением на применение диодных лазеров является относительно большой размер фокусируемого пятна на обрабатываемой поверхности. Мощность на объекте обработки не может быть эффективно сфокусирована в пятно микронного размера, поэтому большинство применений для мощных диодных лазеров включают нагрев определенной области, обычно измеряемой в миллиметрах.
При оценке возможности применения диодного лазера специалисты, как правило, озабочены качеством выходного луча, получаемого поэтапным суммированием мощности диодных линеек и модулей. При этом образуется множество отдельных лучей с асимметричным распределением плотности мощности в сечении лазерного пучка, и их необходимо свести вместе в один пучок с симметричным распределением в сечении. Такая задача соответствует концепции твердотельного кристаллического лазера с диодной накачкой. Однако этот процесс требует дополнительных затрат энергии, а это уже приводит к снижению КПД лазера.
Другое решение заключается в суммировании лазерных лучей от нескольких диодов в оптическом волокне. Но при направлении светового излучения от линейки диодных лазеров или, тем более, от модуля через оптоволоконный кабель приходится сталкиваться с другой проблемой – попыткой направить луч с квадратным распределением плотности мощности по сечению пучка через волновод круглого сечения. При этом обязательно появятся потери части энергии светового пучка, которая проходит снаружи волокна.
Кроме того, на торцевой поверхности оптошины имеется значительная «мертвая» зона. Ее появление вызвано отсутствием излучения из пространства, разделяющего излучатели. При проецировании этих темных пятен на оптическое волокно снижается мощность и яркость результирующего пучка.
Другая ключевая проблема возникает при объединении диодного излучения внутри оптоволоконного канала. Чем выше качество луча на выходе и меньше количество излучателей, проецируемых на оптическое волокно, тем выше удельное поглощение световой энергии с поверхности оптоволокна на единицу диаметра канала. В то же время сегодняшние достижения в построении мощных диодных лазеров позволяют путем использования разработанных гомогенизирующих модулей, производимых в виде микрооптических решеток, добиться высокого качества выходного лазерного пучка.
Одной из ключевых задач при создании мощных диодных лазеров является задача построения эффективной системы охлаждения [4]. Как правило, используется микроканальное охлаждения, когда вода течет по каналам минимального сечения в медном радиаторе, припаянном к диодному лазерному стержню. Чтобы минимизировать утечку тока и электрохимическую коррозию, обычно используется деионизированная вода, которая имеет низкую электропроводность. Потребность в деионизированной воде или водяных картриджах увеличивает эксплуатационные расходы и является существенным недостатком. В последнее время разработаны схемы охлаждения, основанные на использовании контактного кондуктивного охлаждения непосредственно рядом со стержнями и токовыми контактами с использованием проточной отфильтрованной водопроводной воды [5–6].
Компанией ООО «ТермоЛазер» создан и успешно эксплуатируется мобильный лазер – робот МЭЛ‑3.0, рабочим инструментом которого является малогабаритный высокоэффективный диодный лазер с номинальной выходной мощностью излучения 3,0 кВт. Мобильный лазер–робот оснащен специальной управляемой тележкой, на которой размещается типовой технологический манипулятор, имеющий 6 степеней подвижности с исполнительной кинематической цепью длиной до 3 метров, предназначенный преимущественно для обработки крупногабаритных длинномерных объектов, последовательного выполнения операций в нескольких производственных ячейках или выполнения операций в различных структурных подразделениях одного предприятия.
В качестве дополнительной опции лазер–робот может быть оснащен системой стабилизации положения основания манипулятора относительно тележки, обеспечивающей устойчивость и жесткость неподвижного положения тележки, что расширяет эксплуатационные и технологические возможности мобильного робота и обеспечивает требуемую точность и качество обработки крупногабаритных длинномерных объектов на нежесткой и неровной, например грунтовой поверхности при работе в полевых условиях.
На рис. 1 представлен вид мобильного лазер-робота, а в табл. 1 приведены его основные технические характеристики. На рис. 2 представлен вид диодного лазера (на рис. 1 закрыт кожухом). Излучающая система диодного лазера состоит из восьми отдельных модулей, при этом каждый из модулей через специальные микрооптические элементы формирует гомогенный пучок. Для направления всех пучков от всех восьми модулей к формирователю профиля выходного пучка используется четыре зеркала с интерференционным покрытием для объединения пучков двух ортогонально расположенных модулей и специальная линза. Сформированный результирующий выходной пучок направляется на фокусирующую линзу, защищенную от внешнего воздействия двумя стеклами. В лазере обеспечивается возможность индивидуальной регулировки энергетического профиля лазерного пятна в зоне обработки путем настройки выходной мощности оптического лазерного излучения каждого лазерного модуля устройством программируемого компьютерного управления. Каждый модуль, состоящий из диодных линеек, содержит основание из меди. Основные параметры лазера, используемого в лазер-роботе и являющегося конечным звеном кинематической цепи робота, представлены в табл. 2.
Базовым компонентом каждого модуля в лазере является источник излучения, технические характеристики которого приведены в табл. 3.
Одним из примеров использования лазер-робота МЭЛ‑3.0 является выполнение лазерной закалки поверхности шлицевого соединения ступицы автомобиля. При этом требования по твердости и глубине закаленного слоя для выступов, впадин и боковых поверхностей шлицев различаются между собой. Материал ступицы – чугун ВЧ 50, ГОСТ 7293‑85, исходная твердость 170–207 НВ. Вид участка шлицев, закаленных диодным лазером, приведен на рис. 3. При выполнении операции лазерной закалки скорость перемещения лазерного луча роботом изменялась от 1 мм/с до 5 мм/с, мощность в пятне на закаливаемых поверхностях изменением мощности лазера от 1 200 до 1 600 Вт и различный размер пятен для разных поверхностей: 2 × 16 мм для боковых поверхностей щлица и 3 × 6 мм для впадин и выступов. Твердость закаленных поверхностей 240–304 НВ при глубине более 0,5 мм. При этом искажение профиля шлицев не превысило 0,15 мкм и превышение нагрева тела ступицы не более 20 °C температуры окружающей среды.
На рис. 4 представлена схема реализации роботом МЭЛ – 3.0 более сложного процесса закалки рабочей кромки турбинной лопатки паровой турбины из легированной стали с криволинейной по длине детали формой зоны закалки с использованием одновременно двух диодных лазеров [7].
Лазерные лучи 6 и 9, испускаемые диодными источниками излучения 4 и 7 через оптические головки 5 и 8, закрепляемые на кронштейне и перемещаемые роботом вдоль рабочей кромки, воздействуют на переднюю часть 2 и торцевую часть 3 входной кромки лопатки 1. При этом назначаются необходимые мощности излучения каждого лазера и размеры пятен лучей на поверхности обработки и происходит одновременная закалка передней части 2 и торцевой части 3 входной кромки лопатки 1. Угловое положение каждого из лучей (углы α и β) выбираются таким образом, чтобы обеспечить наиболее близкий к нормальному угол падения излучения на закаливаемые поверхности 2 и 3 по всему профилю нагреваемого участка и равномерную экспозицию по всей зоне обработки.
Углы α и β установки оптических головок 5 и 8 выбираются также с учетом недопущения попадания прямого и отраженного от детали излучения в окна оптических головок. При перемещении лазерных лучей 6 и 9 вдоль обрабатываемого участка их угловое положение должно программно изменяться при изменении поперечного профиля кромки и устанавливаться, как описано выше. Для обеспечения закалки материала на требуемую глубину необходимо обеспечивается выполнение двух условий: температура материала в слое на всю глубину в процессе нагрева должна достичь или превысить значение Ас3 + 50 °C или 1 050 °C (для стали), в процессе охлаждения материал на всю глубину и материал должен остывать с максимальной скоростью для предотвращения образования тростита.
Охлаждение осуществляется в основном за счет ухода тепла в ненагретый объем детали, и в существенно меньшей степени – за счет ухода тепла в виде электромагнитного излучения в окружающее пространство и в массы газа, контактирующие с поверхностью. Для обеспечения постоянных значений потоков тепла, уходящего из области материала в процессе закалки, используются два потока охлажденных газов. Первый поток 11 направляют соплом 12 рассредоточенной струей на поверхность детали на некотором небольшом расстоянии от края зоны закалки со стороны зоны воздействия лазера 7. Этот поток должен отводить тепло от детали, компенсируя нагрев ее за счет притока тепла из зоны закалки со стороны противоположной зоны воздействия излучения лазера 4. Второй поток, содержащий инертный газ, направляют соплом 14 рассредоточенной струей 13 на ребро входной кромки таким образом, чтобы поток сформировал зону с атмосферой инертного газа и вытеснял воздух и летучие продукты процесса закалки от обрабатываемой поверхности и одновременно отводил тепло от поверхности закаливаемого слоя. Регулирование мощности лазеров 4 и 7 осуществляется системой управления по информации с датчика температуры 10 нагрева закаливаемой поверхности.
На рис. 5 приведен результат закалки рабочей кромки лопатки в одном из поперечных сечений. Твердость вершины в сечении (зона 1 рис. 5) – 48,15 HRC. Твердость на расстоянии 14 мм от вершины (зона 2 рис. 5) – 49,5 HRC. Глубина упрочненного слоя при вершине – 3,0 мм, на расстоянии 14 мм от вершины – 1,6 мм.
Компанией ООО «ТермоЛазер» разработан технический проект мобильного лазер–робота для обработки крупногабаритных объектов с использованием диодного лазера и оригинального робота с совокупной длиной звеньев до 15 метров. Разработанный лазер–робот может использоваться для монтажа или обработки, например, корпусов судов, крупных наземных и воздушных транспортных средств или крупных резервуаров.
REFERENCES
Bruns P., Kubacki F. High power diode lasers – new opportunity for applications. Photonics Russia. 2008; 5: 6–11. (In Russ.).
Брунс П., Кубаки Ф. Мощные диодные лазеры – новые возможности для применений. Фотоника. 2008; 5; 6–11.
Ajhler YU., Ajhler G. I. Lazery. Ispolnenie, upravlenie, primenenie. – M: Technosphera. 2012. 496 pp. (In Russ.).
Айхлер Ю., Айхлер Г. И. Лазеры. Исполнение, управление, применение. – М: Техносфера. 2012. 496 с.
Ullmann C. High Power Diode Lasers For Industrial Material Processing. Photonics Russia. 2016; 3(57):58–62.
Ульман К. Диодные лазеры высокой мощности для промышленной обработки материалов. Фотоника. 2016; 3(57): 58–62.
Rasheed Nema Abed. The Thermal Management System of Laser Diode: a review. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2015;10(12):5250–5260.
Riedelsberger H. High power Diode Lasers: Focus on Improved Utility. Laser focus world. 2019;. URL: https://www.laserfocusworld.com/software-accessories/positioning-support-accessories/article/16556279.
Di-Hai Wu, Chung-En Zah, Xingsheng Liu. A method of designing water-cooled horizontal array diode lasers for uniform junction temperature. Proceedings Semiconductor Lasers and Applications VIII; 2018; 108120 U. https://doi.org/10.1117/12.2500701.Event: SPIE/COS Photonics Asia, 2018, Beijing, China.
Patent RU 2 751 784 C2. Method of laser treatment of surface of steel blades of turbines of power plants / Kolov P., Umnov V., Chukhlantsev O., Chukhlantsev D.
Патент RU2 751 784 C2. Способ лазерной обработки поверхности стальных лопаток турбин энергетических установок / Колов П., Умнов В., Чухланцев О., Чухланцев Д.
АВТОРЫ
Шипихин Дмитрий Алексеевич, заместитель генерального директора ООО «ТермоЛазер» по производству, г. Владимир, Россия.
Шишкин Евгений Сергеевич, инженер-технолог ООО «ТермоЛазер», г. Владимир, Россия.
Умнов Владимир Павлович, кандидат технических наук, доцент, заместитель генерального директора ООО «ТермоЛазер» по науке, г. Владимир, Россия.
Конфликт интересов
Авторы подтверждают отсутствие конфликта интересов. Все авторы ознакомлены и согласны с рукописью.
Отзывы читателей
